CN108950292B - 一种导电弹性Cu-Ti-Ni-Al合金及其制备方法 - Google Patents

一种导电弹性Cu-Ti-Ni-Al合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种导电弹性Cu‑Ti‑Ni‑Al合金，按质量百分比由以下组分组成：Cu 91‑97％、Ti 1.5‑4％、Ni 1‑3％、Al 0.5‑2％，以上各组分质量百分比和为100％。本发明还公开了一种导电弹性Cu‑Ti‑Ni‑Al合金的制备方法，具体操作步骤如下：将铜、海绵钛、镍和铝进行熔炼、均匀化处理、固溶处理、时效处理等工艺，获得综合性能优良的导电弹性Cu‑Ti‑Ni‑Al合金。与现有高强度导电弹性铜合金制备相比较，本发明的制备方法简单可行，获得的Cu‑Ti‑Ni‑Al合金综合性能优异。

Description

一种导电弹性Cu-Ti-Ni-Al合金及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料制备方法技术领域，具体涉及一种导电弹性Cu-Ti-Ni-Al合金，还涉及一种导电弹性Cu-Ti-Ni-Al合金的制备方法。
背景技术
弹性铜合金是一类具有独特性能的材料，广泛应用于精密仪器仪表和精密机械中的弹性元件。这类材料主要有Cu-Be合金、Cu-Ni-Sn合金、锡磷青铜和Cu-Ti合金等。
尽管Cu-Be合金具有优异的力学性能和导电率，但铍元素易产生有毒的氧化物或化合物，而且Cu-Be合金存在性能不够稳定、铸造时容易开裂及脆断、高温下抗应力松弛能力较差的缺点。Cu-Ni-Sn合金具有良好的机械性能、加工性能和优良的高温性能。锡磷青铜具有良好的耐磨性、弹性、耐蚀性。但是，Cu-Ni-Sn合金和锡磷青铜在制备过程中易产生偏析，使得材料强度下降，加工性能恶化。Cu-Ti合金除了具有和Cu-Be合金同样的高强度、高硬度、高弹性，良好的耐磨性、耐蚀性、加工性和可焊性以外，还具有更好的高温强度和抗应力松弛性能。但是因为Ti元素在铜基体中大的固溶度导致Cu-Ti合金的导电性较差。为了解决这一问题，目前常用的方法是在Cu-Ti合金中添加第三元素。合金元素Ni，Al的添加一方面可降低Ti原子在Cu基体中的固溶量，保证高强度的同时提高导电率；另一方面形成高温强化相Ni3Ti、Ti3Al，从而提高合金的耐高温性能。因此有望获得一种电学和力学综合性能良好的导电弹性Cu-Ti-Ni-Al合金，具有重要的工程意义和应用价值。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种导电弹性Cu-Ti-Ni-Al合金，解决了现有技术中Cu-Ti合金导电率差的问题。
本发明的另一个目的是提供一种导电弹性Cu-Ti-Ni-Al合金的制备方法。
本发明所采用的第一种技术方案是，一种导电弹性Cu-Ti-Ni-Al合金，按质量百分比由以下组分组成：Cu 91-97％、Ti 1.5-4％、Ni 1-3％、Al 0.5-2％，以上各组分质量百分比之和为100％。
本发明所采用的第二种技术方案是，一种导电弹性Cu-Ti-Ni-Al合金的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，按质量百分比称取以下材料：铜91-97％、海绵钛1.5-4％、镍1-3％和铝0.5-2％，以上各组分质量百分比之和为100％；
步骤2，将铜、海绵钛、镍和铝放入坩埚中，在真空感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼完成后进行浇注，得到合金铸锭；
步骤3，将合金铸锭进行扒皮和表面清理，随后放入第一电阻炉进行均匀化处理；
步骤4，将步骤3均匀化处理后的合金铸锭置入第二电阻炉中进行固溶处理，固溶处理完成后进行淬水处理，得到淬水后合金；
步骤5，将淬水后合金再次放入第二电阻炉进行时效处理，时效处理完成后随炉冷却，即获得导电弹性Cu-Ti-Ni-Al合金。
本发明的特点还在于，
步骤2熔炼炉的真空度不小于10-3Pa。
步骤1的铜纯度不小于99.9％，海绵钛纯度不小于99.99％，镍纯度不小于99.9％，铝纯度不小于99.9％。
步骤1铜为T2纯铜。
步骤3均匀化处理温度为850℃，保温10-15h。
步骤4固溶处理温度为850℃，保温3-6h，需要通入氩气作为保护气体；淬水温度不高于20℃。
步骤5时效处理温度为400-600℃，时效处理时间为1-12h，同时需通入氩气作为保护气体。
本发明的有益效果是：本发明的一种导电弹性Cu-Ti-Ni-Al合金，本发明通过采用真空感应熔炼和热处理相结合的方法，不仅改善了Cu-Ti-Ni-Al合金组织的均匀性，而且提高了Cu-Ti-Ni-Al合金的导电率、硬度和弹性模量，使Cu-Ti-Ni-Al合金具有优良的综合性能。
附图说明
图1是本发明一种导电弹性Cu-Ti-Ni-Al合金的制备方法流程图；
图2是本发明时效处理450℃的导电弹性Cu-Ti-Ni-Al合金扫描电镜照片；
图3是本发明时效处理500℃的导电弹性Cu-Ti-Ni-Al合金扫描电镜照片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种导电弹性Cu-Ti-Ni-Al合金，按质量百分比由以下组分组成：Cu91-97％、Ti 1.5-4％、Ni 1-3％、Al 0.5-2％，以上各组分质量百分比之和为100％。
一种导电弹性Cu-Ti-Ni-Al合金的制备流程如图1所示，包括以下操作步骤：
步骤1，按质量百分比称取以下材料：纯度不小于99.9％的铜91-97％、纯度不小于99.99％的海绵钛1.5-4％、纯度不小于99.9％的镍1-3％和纯度不小于99.9％的铝0.5-2％，以上各组分质量百分比之和为100％；
步骤2，将铜、海绵钛、镍和铝放入坩埚中，在真空感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼真空度不小于10-3Pa，熔炼完成后放入水冷铜坩埚中浇注，得到合金铸锭；
步骤3，将合金铸锭进行扒皮和表面清理，随后放入第一电阻炉进行均匀化处理，均匀化处理温度为850℃，保温10-15h；
步骤4，将步骤3均匀化处理后的合金铸锭置入第二电阻炉进行固溶处理，固溶处理温度为850℃，保温3-6h，需要通入氩气作为保护气体；固溶处理完成后进行淬水处理，淬水温度不高于20℃，得到淬水后合金；
步骤5，将淬水后合金再次放入电阻炉进行时效处理，时效处理温度为400-600℃，时效处理时间为1-12h，同时需通入氩气作为保护气体，时效处理完成后随炉冷却，即获得导电弹性Cu-Ti-Ni-Al合金。
实施例1
分别称取纯度大于99.9％的T2铜3.76kg、纯度99.99％的海绵钛112g、纯度大于99.9％的镍100g和纯度大于99.9％的铝28g；在氩气保护下，在真空感应熔炼炉中进行熔炼，真空度0.3×10-3Pa；对铸锭进行扒皮和表面清理，在850℃均匀化处理10h，使组织均匀；随后在电阻炉850℃保温3h固溶处理，并水淬；固溶处理后合金进行450℃保温2h的时效处理；经测试，导电率、硬度和弹性模量分别为17.7％IACS、152HV和140GPa，即可获得性能优良的导电弹性Cu-Ti-Ni-Al合金。
实施例2
分别称取纯度大于99.9％的T2铜3.68kg、纯度99.99％的海绵钛162g、纯度大于99.9％的镍120g和纯度大于99.9％的铝80g；在氩气保护下，在真空感应熔炼炉中进行熔炼，真空度0.6×10-3Pa；对铸锭进行扒皮和表面清理，在850℃均匀化处理12h，使组织均匀；随后在电阻炉850℃保温4h固溶处理，并水淬；固溶处理后合金进行500℃保温1h的时效处理；经测试，导电率、硬度和弹性模量分别为18.4％IACS、192HV和173GPa，即可获得性能优良的导电弹性Cu-Ti-Ni-Al合金。
实施例3
分别称取纯度大于99.9％的T2铜3.85kg、纯度99.99％的海绵钛60g、纯度大于99.9％的镍40g和纯度大于99.9％的铝20g；在氩气保护下，在真空感应熔炼炉中进行熔炼，真空度0.1×10-3Pa；对铸锭进行扒皮和表面清理，在850℃均匀化处理13h，使组织均匀；随后在电阻炉850℃保温6h固溶处理，并水淬；固溶处理后合金进行500℃保温3h的时效处理；经测试，导电率、硬度和弹性模量分别为19.8％IACS、213HV和178GPa，即可获得性能优良的导电弹性Cu-Ti-Ni-Al合金。
实施例4
分别称取纯度大于99.9％的T2铜3.76kg、纯度99.99％的海绵钛112g、纯度大于99.9％的镍100g和纯度大于99.9％的铝28g；在氩气保护下，在真空感应熔炼炉中进行熔炼，真空度大于10-3Pa；对铸锭进行扒皮和表面清理，在850℃均匀化处理15h，使组织均匀；随后在电炉850℃保温5h固溶处理，并水淬；固溶处理后合金进行600℃保温5h的时效处理；经测试，导电率、硬度和弹性模量分别为20.7％IACS、172HV和168GPa，即可获得性能优良的导电弹性Cu-Ti-Ni-Al合金。
图3和图2是本发明Cu-Ti-Ni-Al合金时效处理后的扫描电镜照片。可以看出合金组织均匀，基体中弥散分布着许多长度大约几十纳米到几百纳米不等的长条状析出相。
本发明提供的一种导电弹性Cu-Ti-Ni-Al合金，与其他同等制备工艺制备的Cu-Ti合金相比，本发明制备的Cu-Ti合金组织更加均匀，合金导电性能得到明显改善，综合性能优良。
实施例与同等工艺所制备的Cu-Ti合金性能参数如表1所示
表1实施例与同等工艺所制备的Cu-Ti合金性能参数比较
样品名称 导电率/％IACS 硬度/HV 弹性模量/GPa
实施例3 19.8 213 178
实施例4 20.7 172 168
Cu-Ti-Al合金 12.3 227 147
Cu-Ti-Ni合金 17.1 163 151
由实施例3和实施例4可以明显看出，本发明制备的导电弹性Cu-Ti-Ni-Al合金具有优异的导电率和硬度。与Cu-Ti-Al合金相比，实施例3制备的Cu-Ti-Ni-Al合金硬度相差不大，导电率提高了61％，综合性能优良。与Cu-Ti-Ni合金相比，实施例3制备的Cu-Ti-Ni-Al合金导电率、硬度和弹性模量分别提高了15.8％、30.7％和17.9％，实施例4制备的Cu-Ti-Ni-Al合金导电率、硬度和弹性模量分别提高了21.1％、5.5％和11.3％。本发明制备的导电弹性Cu-Ti-Ni-Al合金综合性能优良，可广泛应用于仪器仪表、航空航天、计算机技术和通讯技术等领域。

Claims (3)

1.一种导电弹性Cu-Ti-Ni-Al合金的制备方法，其特征在于，具体操作步骤如下：
步骤1，按质量百分比称取以下材料：T2铜91-97％、海绵钛1.5-4％、镍1-3％和铝0.5-2％，以上各组分质量百分比之和为100％；
步骤2，将所述T2铜、海绵钛、镍和铝放入坩埚中，在真空感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼完成后进行浇注，得到合金铸锭；
步骤3，将所述合金铸锭进行扒皮和表面清理，随后放入第一电阻炉进行均匀化处理，所述均匀化处理温度为850℃，保温10-15h；
步骤4，将步骤3均匀化处理后的合金铸锭置入第二电阻炉中进行固溶处理，固溶处理完成后进行淬水处理，得到淬水后合金，所述固溶处理温度为850℃，保温3-6h，需要通入氩气作为保护气体；所述淬水温度不高于20℃；
步骤5，将所述淬水后合金再次放入第二电阻炉进行时效处理，所述时效处理温度为400-600℃，时效处理时间为1-12h，同时需通入氩气作为保护气体，时效处理完成后随炉冷却，即获得导电弹性Cu-Ti-Ni-Al合金；
所述导电弹性Cu-Ti-Ni-Al合金，按质量百分比由以下组分组成：Cu 91-97％、Ti 1.5-4％、Ni 1-3％、Al 0.5-2％，以上各组分质量百分比之和为100％。
2.根据权利要求1所述的一种导电弹性Cu-Ti-Ni-Al合金的制备方法，其特征在于，步骤2所述熔炼炉的真空度不小于10-3Pa。
3.根据权利要求1所述的一种导电弹性Cu-Ti-Ni-Al合金的制备方法，其特征在于，步骤1所述的T2铜纯度不小于99.9％，海绵钛纯度不小于99.99％，镍纯度不小于99.9％，铝纯度不小于99.9％。
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